Ett team av forskare vid University of Manchester har visat att grafenens ytegenskaper kan användas för att kontrollera strukturen hos organiska kristaller som erhålls från lösning.

Organiska kristallstrukturer finns i ett stort antal produkter, som mat, explosiva varor, färgpigment och läkemedel. Dock, organiska kristaller kan komma i olika strukturer, kallas polymorfer:var och en av dessa former har mycket olika fysikaliska och kemiska egenskaper, trots att de har samma kemiska sammansättning.

För att göra en jämförelse, diamant och grafit är polymorfer eftersom de är sammansatta av både kolatomer, men de har väldigt olika egenskaper eftersom atomerna är bundna till olika strukturer. Samma koncept kan utvidgas till organiska molekyler, när de interagerar mellan varandra för att bilda kristaller.

Att förstå och reagera på hur material fungerar på molekylär nivå är nyckeln eftersom fel polymorf kan göra att ett livsmedel får dålig smak, eller ett läkemedel för att vara mindre effektivt. Det finns flera exempel på läkemedel som tagits bort från marknaden på grund av polymorfismrelaterade problem. Som sådan, produktion av en specifik polymorf är för närvarande ett grundläggande problem för både forskning och industri och det innebär betydande vetenskapliga och ekonomiska utmaningar.

Ny forskning från University of Manchester har nu visat att tillsats av grafen till en förångande lösning som innehåller organiska molekyler avsevärt kan förbättra selektiviteten mot en viss kristallin form. Detta öppnar upp för nya tillämpningar av grafen inom kristallteknik, som hittills varit helt outforskade.

Professor Cinzia Casiraghi, som ledde laget, sa:"I slutändan, vi har visat att avancerade material, som grafen och nanoteknikens verktyg gör det möjligt för oss att studera kristallisation av organiska molekyler från en lösning på ett radikalt nytt sätt. Vi är nu glada över att gå mot molekyler som vanligtvis används för läkemedel och livsmedel för att ytterligare undersöka potentialen för grafen inom kristallteknik."

I rapporten, publiceras i ACS Nano , teamet har visat att genom att ställa in ytegenskaperna hos grafen, det är möjligt att ändra typen av producerade polymorfer. Glycin, den enklaste aminosyran, har använts som referensmolekyl, medan olika typer av grafen har använts antingen som tillsats eller som mallar.

Matthew Boyes, och Adriana Alieva, Ph.D. studenter vid University of Manchester, båda bidrog till detta arbete:"Detta är ett banbrytande arbete om användningen av grafen som tillsats i kristallisationsexperiment. Vi har använt olika typer av grafen med varierande syrehalt och tittat på deras effekter på kristallutfallet av glycin. Vi har observerat att genom att noggrant ställa in syrehalten i grafen, det är möjligt att inducera preferentiell kristallisation." sa Adriana.

Datormodellering, framförd av professor Melle Franco vid universitetet i Aveiro, Portugal, stöder de experimentella resultaten och tillskriver polymorfselektiviteten till närvaron av hydroxylgrupper som möjliggör vätebindningsinteraktioner med glycinmolekylerna, därigenom gynnar en polymorf framför den andra, när ytterligare skikt av polymorfen tillsätts under kristalltillväxt.